CN108496533A - 一种无人驾驶联合收割机激光导航系统 - Google Patents

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陈军
刘美辰
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    • A01—AGRICULTURE; FORESTRY; ANIMAL HUSBANDRY; HUNTING; TRAPPING; FISHING
    • A01D—HARVESTING; MOWING
    • A01D41/00—Combines, i.e. harvesters or mowers combined with threshing devices
    • A01D41/12—Details of combines
    • A01D41/127—Control or measuring arrangements specially adapted for combines
    • A01D41/1278—Control or measuring arrangements specially adapted for combines for automatic steering

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  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Environmental Sciences (AREA)
  • Guiding Agricultural Machines (AREA)

Abstract

本发明公开一种无人驾驶联合收割机激光导航系统，主要包括GPS、IMU惯性传感器、激光传感器、自动转向装置和PC机。所述GPS1安装在联合收割机顶部，并通过RS232接口与PC机5相连，所述IMU惯性传感器2安装在联合收割机顶部，并通过USB接口与PC机5相连，所述激光传感器3倾斜安装在联合收割机前沿，并通过网线接口与PC机5相连，所述PC机5放在联合收割机驾驶室内，所述自动转向装置4包括电机驱动器及方向盘控制电机，并通过CAN总线与PC机5相连。本发明通过改进基于小麦收割线激光识别技术的无人驾驶联合收割机，采用多传感器融合技术检测小麦作物边界，控制联合收割机沿收割线自动作业，可以减轻劳动强度，保证收割机进行高效满幅作业。

Description

一种无人驾驶联合收割机激光导航系统
技术领域
本发明涉及一种无人驾驶联合收割机自动导航系统，具体涉及一种基于小麦收割线激光识别技术的联合收割机自动导航系统，属于农业机械领域。
背景技术
农业是国民经济的基础，现代农业装备是现代农业的重要支撑。作为精准农业的一项核心技术，农业机械自动导航广泛应用于耕作、播种、施肥、喷药、收获等农业生产过程。通过导航系统对周围环境的感知，机器人能按照优化的作业路径工作，减少重复作业区和遗漏作业区的面积，提高农业机械的田间作业质量和效率、降低驾驶员劳动强度。
我国对农业机械装备进行导航控制系统的研究近年来有所增加，但是针对联合收获机的智能化研究主要集中在喂入量测量、控制以及测试平台等的研究，导航控制系统方面的研究相对较少。目前我国无人驾驶联合收割机的自动导航技术大多基于全球定位系统导航，由于一些环境的影响，如障碍物、远离差分信号基站、多路径干扰等，因此有时GPS即全球定位系统会出现无法达到自动导航要求的最小偏差。
农作物收割具有收割速度较慢、障碍物少、环境简单等特点，作业具有重复性。精确的识别出收割与未收割作物间的边界线，有效避免收割过程中的漏收现象，并防止出现收割机非满幅作业等情况，成为国内外学者深入研究的一个重要课题。相比于全球定位系统导航，控制收割机沿小麦收割线作业不仅可以避免GPS受到环境干扰影响导航精度，还可以保证收割机进行满幅作业。
基于以上原因，需要开发一种无人驾驶联合收割机激光导航系统，融合激光传感器、GPS和IMU惯性传感器等多传感信息，实现联合收割机自动作业。
发明内容
本发明的目的在于提供一种无人驾驶联合收割机激光导航系统，来弥补目前国内联合收割机多基于全球定位系统的自动导航技术的不足。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是一种无人驾驶联合收割机激光导航系统，主要包括GPS1、IMU惯性传感器2、激光传感器3、自动转向装置4、PC机5。其特征在于：所述GPS1安装在联合收割机顶部，并通过RS232接口与PC机5相连，所述IMU惯性传感器2安装在联合收割机顶部，并通过USB接口与PC机5相连，所述激光传感器3倾斜安装在联合收割机前沿，并通过网线接口与PC机5相连，所述PC机5放在联合收割机驾驶室内，所述自动转向装置4包括电机驱动器及方向盘控制电机，并通过CAN总线与PC机5相连。
所述GPS采用美国天宝公司的Trimble BD930，它可以通过接收四颗不同卫星信号来确定联合收割机的位置信息。
所述IMU惯性传感器采用北京星网宇达科技公司XW-IMU5220，它可以通过对联合收割机三轴姿态角以及加速度的计算确定联合收割机的航向角。
所述激光传感器采用日本HOKUYO公司的激光测距传感器UST-20LX，它可通过对小麦地的扫描确定各时刻麦田二维轮廓数据。
上述的一种无人驾驶联合收割机激光导航系统。采用多传感器融合技术检测小麦作物边界，控制联合收割机沿边界线自动作业。激光传感器3时刻记录麦田二维轮廓数据，利用卡尔曼滤波算法综合GPS1位置信号和惯性传感器2航向信号计算得到收割机位置，采用最小二乘法拟合小麦收割线作为联合收割机的导航基准线，控制器以导航基准线为基础，做出导航路径规划，给PC机发送导航参数信号，PC机经过分析计算发出指令，电机驱动器转动方向盘控制电机，从而实现联合收割机运动方向的自动控制。
该基于小麦收割线激光识别技术联合收割机的工作步骤主要是：
首先，PC机采用卡尔曼滤波算法融合GPS位置信号和惯性传感器航向信号，计算得到联合收割机准确位置。
其次，PC机根据得到的激光传感器信息，记录各时刻麦田二维轮廓数据结合联合收割机位置，拟合小麦收割作业线。
最后，电机驱动器根据PC机传来的参数，控制电机转动收割机方向盘，从而实现联合收割机运动方向的自动控制。
本发明一种无人驾驶联合收割机激光导航系统的有益效果是：通过改进了的基于小麦收割线激光识别技术无人驾驶联合收割机可以实现高效作业，减轻了劳动强度；相比于全球定位系统，基于激光的无人驾驶联合收割机，通过激光测距原理和相关算法寻找小麦的边界，抗干扰能力强，可以实现小麦边沿的精准定位；通过将激光传感器装于车前沿，控制收割机沿小麦收割线作业可以保证收割机进行满幅作业。
附图说明
图1为本发明一种无人驾驶联合收割机激光导航系统侧视图。
图2为本发明一种无人驾驶联合收割机激光导航系统俯视图。
图3为本发明一种无人驾驶联合收割机激光导航系统原理框图。
具体实施方式
下面结合附图1对本发明作更进一步的说明：
一种无人驾驶联合收割机的激光导航系统，主要包括GPS1、IMU惯性传感器2、激光传感器3、自动转向装置4、PC机5。其特征在于：所述GPS1安装在联合收割机顶部，并通过RS232接口与PC机5相连，所述IMU惯性传感器2安装在联合收割机顶部，并通过USB接口与PC机5相连，所述激光传感器3倾斜安装在联合收割机前沿，并通过网线接口与PC机5相连，所述PC机5放在联合收割机驾驶室内，所述自动转向装置4包括电机驱动器及方向盘控制电机，并通过CAN总线与PC机5相连。
下面结合附图3对本发明作更进一步的说明：
一种无人驾驶联合收割机激光导航系统。采用多传感器融合技术检测小麦作物边界，控制联合收割机沿边界线自动作业。利用卡尔曼滤波算法综合GPS位置信号和惯性传感器航向信号计算得到收割机准确位置，结合激光传感器时刻记录的麦田二维轮廓数据，采用最小二乘法拟合小麦收割线作为联合收割机导航基准线，控制器以导航基准线为基础，PC机融合各传感器信息做出导航路径规划，经过分析计算发出指令，电机驱动器接收指令转动方向盘控制电机，从而实现联合收割机运动方向的自动控制。

Claims (4)

1.一种无人驾驶联合收割机激光导航系统，主要包括GPS(1)、IMU惯性传感器(2)、激光传感器(3)、自动转向装置(4)、PC机(5)。其特征在于：所述GPS(1)安装在联合收割机顶部，并通过RS232接口与PC机(5)相连，所述IMU惯性传感器(2)安装在联合收割机顶部，并通过USB接口与PC机(5)相连，所述激光传感器(3)倾斜安装在联合收割机前沿，并通过网线接口与PC机(5)相连，所述PC机(5)放在联合收割机驾驶室内，所述自动转向装置(4)包括电机驱动器及方向盘控制电机，并通过CAN总线与PC机(5)相连。
2.根据权利要求1所述的无人驾驶联合收割机激光导航系统，其特征在于：所述GPS采用美国天宝公司的BD930，它可通过接收四颗不同卫星信号来确定联合收割机的位置信息。
3.根据权利要求1所述的无人驾驶联合收割机激光导航系统，其特征在于：所述IMU惯性传感器采用北京星网宇达科技公司XW-IMU5220，它可以通过对联合收割机三轴姿态角以及加速度的计算确定联合收割机的航向角。
4.根据权利要求1所述的无人驾驶联合收割机激光导航系统，其特征在于：所述激光传感器采用日本HOKUYO公司的激光测距传感器UST-20LX，它可以通过对小麦地的扫描确定各时刻麦田二维轮廓数据。
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